硅酸盐正极材料MgFeSiO4的制备方法及其应用与流程

本发明涉及电化学电极材料领域，具体涉及硅酸盐正极材料mgfesio4的制备方法及其应用。

背景技术：

1、可充镁电池具有较高的理论体积容量、低成本和高安全性等优点，被认为是可替代锂离子电池的有前途的电化学储能系统之一。但由于缺乏用于实际应用的高性能正极材料，可充镁电池的发展仍然受到严重限制。

2、经研究发现，聚阴离子化合物因具有可允许离子的快速扩散的三维开放骨架结构、高理论容量以及高工作电压等特点，近年来作为可充镁电池正极材料受到了广泛的关注。聚阴离子化合物具有由mox(m＝过渡金属)和(xo4)n-(x＝p、s、as、si、mo或w)多面体组成的三维开放骨架结构，此三维开放骨架结构可允许离子快速扩散；迄今为止，最典型的材料是具有橄榄石结构的lifepo4材料。自lifepo4材料得到重大突破后，研究人员致力于研究用其他阴离子代替po43-以实现具有高可逆容量和高氧化还原电压的材料。与橄榄石磷酸盐相比，由于紧密的sio4四面体可以提供固有的晶格稳定性，硅酸盐对mg2+的存储和迁移表现出更稳定和更快的框架。

3、目前，常见的硅酸盐合成材料的方法有水热法、溶剂热法和高温烧结等，这些方法能很好的控制材料的尺寸、相和结构。但水热法应用存在局限；而溶剂热法中，存在对环境不友好的溶剂和分散剂，以及在高温路线中的连续热力学气氛可能对制造高性能材料造成负面影响；而现有的高温烧结法存在升温、降温速率较慢等问题，现有的高温烧结升温或降温速率最多可达40℃/min；现有硅酸盐合成材料方法存在的问题局限了硅酸盐合成材料作为可充镁电池正极材料的发展。

技术实现思路

1、本发明意在提供一种硅酸盐正极材料mgfesio4的制备方法及其应用，以通过简单的高温热冲击方法，高效合成硅酸盐正极材料mgfesio4。

2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：硅酸盐正极材料mgfesio4的制备方法，包括以下步骤：

3、s1，将镁源、铁源和硅源三种原料进行球磨混合处理，得到球磨混匀后前驱体；

4、s2，将球磨混匀后前驱体铺置于电加热基底上进行高温热冲击烧结反应；

5、烧结反应包括依次进行的预烧结和二次烧结，二次烧结的时间为10—40s，二次烧结的温度大于800℃且小于等于1000℃。

6、本方案的有益效果为：利用焦耳加热原理进行一种新型的高温热冲击烧结方式对混合均匀的原料进行高效的高温烧结反应合成mgfesio4材料，制备方法工艺简单、短时间内完成材料合成的同时，无废物产生，对环境友好，具有推广应用前景。高温热冲击烧结方式有益效果如下：

7、1.此方法的整个高温超导过程在毫秒级的时间内持续，反应温度可以瞬间达到3000k甚至更高，其加热/冷却速率可高达105k/s，从而确保所合成的硅酸盐mgfesio4正极材料具有良好晶型，没有任何杂相。

8、2.利用电焦耳热冲击产生的高温高于部分前驱体原料的分解温度(345k以上)，这部分前驱体原料首先受热被分解，然后几毫秒内冷却，完成预烧结处理；预烧结完成后，继续提升电流以产生更多热能，热冲击产生的超高温高于剩余前驱体原料的分解温度，最终实现短时间内快速、高效地合成得到硅酸盐mgfesio4正极材料。

9、3.源于高温热冲击法的整个高温超导过程在毫秒级的时间内持续，反应温度可瞬间达到高温且加热和冷却的速率高的特别，使得制备得到的mgfesio4材料的形貌颗粒大小约为200nm，材料结构的精细化帮助mgfesio4材料用作可充镁电池的正极材料时循环稳定性表现优异。

10、4.本方法制备的mgfesio4材料在可充镁电池中表现出了优异的循环稳定性，尤其是在二次预烧结温度为900℃、烧结时间为30s的条件下，所得的mgfesio4材料的放电比容量高达62.6mah g-1，表现出了超优异的循环稳定性。

11、优选的，在s2中，预烧结的温度为350—450℃，预烧结的时间为60s。

12、优选的，在s1中，镁源、铁源和硅源的原料分别为氧化镁、草酸亚铁以及纳米二氧化硅。

13、优选的，氧化镁、草酸亚铁以及纳米二氧化硅的摩尔比为1：1：1。

14、优选的，球磨混合处理的时间为6—12h。

15、优选的，s2中的电加热基底为碳纤维基底，且碳纤维基底的两端固定有导电铜箔制作成的导电装置。

16、优选的，s2中，预烧结和二次烧结均在保护气氛下进行，且保护气氛为氩气。

17、优选的，s2中，二次烧结的时间为30s，二次烧结的温度为900℃。

18、优选的，硅酸盐mgfesio4材料的应用，将上述制备方法制备得到的硅酸盐mgfesio4材料用作可充镁电池正极材料。

19、优选的，硅酸盐mgfesio4材料的应用，上述制备方法制备得到的硅酸盐mgfesio4材料用作可充镁电池。

技术特征：

1.硅酸盐正极材料mgfesio4的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的硅酸盐正极材料mgfesio4的制备方法，其特征在于：在s2中，预烧结的温度为350—450℃，预烧结的时间为60s。

3.根据权利要求2所述的硅酸盐正极材料mgfesio4的制备方法，其特征在于：在s1中，镁源、铁源和硅源的原料分别为氧化镁、草酸亚铁以及纳米二氧化硅。

4.根据权利要求3所述的硅酸盐正极材料mgfesio4的制备方法，其特征在于：氧化镁、草酸亚铁以及纳米二氧化硅的摩尔比为1：1：1。

5.根据权利要求4所述的硅酸盐正极材料mgfesio4的制备方法，其特征在于：球磨混合处理的时间为6—12h。

6.根据权利要求5所述的硅酸盐正极材料mgfesio4的制备方法，其特征在于：s2中的电加热基底为碳纤维基底，且碳纤维基底的两端固定有导电铜箔制作成的导电装置。

7.根据权利要求8所述的硅酸盐正极材料mgfesio4的制备方法，其特征在于：s2中，预烧结和二次烧结均在保护气氛下进行，且保护气氛为氩气。

8.根据权利要求7所述的硅酸盐正极材料mgfesio4的制备方法，其特征在于：s2中，二次烧结的时间为30s，二次烧结的温度为900℃。

9.硅酸盐mgfesio4材料的应用，其特征在于：将权利要求7或8中所述的制备方法制备得到的硅酸盐mgfesio4材料用作可充镁电池正极材料。

10.硅酸盐mgfesio4材料的应用，其特征在于：将权利要求7或8中所述的制备方法制备得到的硅酸盐mgfesio4材料用作可充镁电池。

技术总结
本发明涉及电化学电极材料领域，公开了硅酸盐正极材料MgFeSiO4的制备方法及其应用，包括以下步骤：S1，将镁源、铁源和硅源三种原料进行球磨混合处理，得到球磨混匀后前驱体；S2，将球磨混匀后前驱体铺置于电加热基底上进行高温热冲击烧结反应；烧结反应包括依次进行的预烧结和二次烧结，二次烧结的时间为10—40s，二次烧结的温度大于800℃且小于等于1000℃。以通过简单的高温热冲击方法，高效合成硅酸盐正极材料MgFeSiO4。

技术研发人员：黄光胜,许洁,洪宇琪,王敬丰,潘复生
受保护的技术使用者：重庆新型储能材料与装备研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/3/31